我们提出了一种三色染色质单分子定位显微镜(SMLM)染色与分析方案,可实现常染色质、异染色质和RNA聚合酶II(RNAP II)的可重复空间定位作图。该方案能够在致密的细胞核环境中实现高效的多色标记,包括与染色质相关的靶标,从而实现可靠的同步检测。
方法文章
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我们提出了一种三色染色质单分子定位显微镜(SMLM)染色与分析方案,可实现常染色质、异染色质和RNA聚合酶II(RNAP II)的可重复空间定位作图。该方案能够在致密的细胞核环境中实现高效的多色标记,包括与染色质相关的靶标,从而实现可靠的同步检测。
超分辨率显微技术极大地提升了我们突破衍射极限对生物结构进行研究的能力,使其在研究染色质、核纤层以及核仁等致密排列的核结构时不可或缺。染色质具有多尺度的组织结构——从纳米尺度的核小体到微米尺度的结构域——这要求成像技术必须兼具高分辨率和分子特异性。单分子定位显微技术(SMLM),尤其是随机光学重建显微技术(STORM),能够精确绘制表观遗传标记的分布图,为理解染色质的结构与功能提供关键信息。然而,在细胞核环境中进行多标记成像面临独特挑战,包括抗体可及性降低、非特异性结合增加以及荧光染料不稳定等问题。为解决这些问题,我们提出了一种针对高密度核环境优化的顺序免疫标记方案,可实现信号串扰最小化、信号降解较少的稳健三色SMLM成像。该方法包括优化的缓冲液配方、荧光染料选择以及抗体验证策略,以确保多个靶标间可重复且高保真的标记效果。尤为重要的是,我们将该实验方案与一套计算分析流程相结合,利用某一分子靶标的定位点作为空间锚点(种子点),量化不同靶标之间的距离、局部密度以及多标记共定位亲和性。这使得在纳米尺度上对染色质组分进行精细的空间分析成为可能。本方案为致密亚细胞环境中的多组分成像与定量分析提供了可重复的技术框架,为研究染色质等复杂核结构的研究人员提供了一种强有力的工具。
单分子定位显微镜(SMLM)的出现使得在纳米尺度上对生物结构进行前所未有的探索成为可能1,2,3,4,5。除了单靶标成像外,多色SMLM技术的拓展进一步推动了该领域的发展,能够同时可视化多种分子种类以及亚衍射极限结构之间的空间和时间关系6,7,8,9,10,11。然而,由于细胞核DNA具有高度密集且呈聚合物状的特性,以及抗体在此环境中通透性受限,将多重SMLM技术应用于广泛分布的组蛋白修饰仍面临挑战12,13,14,15,16,17,18。
染色质呈现出一种多层次、多尺度的结构组织,其尺度范围跨越多个数量级,从纳米级的核小体组装到微米级的细胞核架构。在最大尺度上,染色体占据各自独立的染色体区域,在此区域内,基因组进一步划分为A/B区室和拓扑关联结构域(TADs),后者通过环挤压等机制限制远距离调控相互作用。19,20,21,22在亚200 nm尺度上,染色质以无序聚合物形式组织,由异质性包装结构域(PDs)构成,而非离散的常染色质和异染色质区块,其中转录活跃区域优先定位于PD边界处23,24,25,26,27,28,29在最小尺度上(5–20 nm),染色质由不规则的核小体组装体和核小体簇构成,凸显了其缺乏统一的高阶折叠模式,并强调了基因组结构具有随尺度变化的涌现特性。24,26,30随着基于测序的技术方法(如染色质免疫沉淀测序和高通量染色质构象捕获)的迅速发展19,30,31,32,33,已鉴定出染色质中尺度组织结构的多种特征31,32然而,与成像技术不同,这些方法无法捕捉到只有在解析这些结构后才能观察到的空间几何特征。电子显微镜方法,如染色质电子显微镜(ChromEM)24)以及染色质扫描透射电子显微镜(ChromSTEM)25) 揭示染色质具有异质性,并在50–200 nm的尺度上组织成压缩结构域25,28,29尽管这些技术能够实现高分辨率的染色质压缩结构域识别,但无法提供SMLM所能实现的分子特异性定位。DNA点累积纳米拓扑成像技术(DNA-PAINT)22和多重荧光 原位 荧光原位杂交(FISH)19实现高重数检测;然而,DNA-PAINT 受到寡核苷酸富集的细胞核环境中随机结合事件引起的背景噪声显著影响12,34,而传统的基于热变性的FISH方法则需要破坏天然的染色质折叠结构。先前的研究已应用超分辨率成像技术在此尺度上探究染色质,发现其具有混合型的包装结构域,与此前的相分离模型相悖。12,23,34,35该方案源自先前发表的一篇论文,该论文探讨了这些发现的生物学意义34因此,鉴于其高分辨率和多重检测能力,基于免疫染色的dSTORM仍然是在接近天然条件下进行多色染色质成像的最可行策略。
该实验方案并非首个实现对两个以上细胞核靶点进行标记的研究,此前已有研究对单个蛋白质复合物或基因进行了标记12,36。尽管已成功标记核小体上的组蛋白翻译后修饰,染色质的多色单分子定位显微镜(SMLM)标记、成像与分析仍面临重大挑战。首先,在致密的染色质环境中进行免疫染色时,需优化抗体浓度、孵育顺序和缓冲液组成,以确保充分的渗透与结合,同时避免背景信号过高。其次,必须进行全面的多标记分析,因为常染色质、异染色质以及RNA聚合酶等酶之间的相互作用可能远超简单的二元排斥关系。迄今为止,在染色质dSTORM成像中所实现的最大荧光颜色数仍为两种18,37,38,39。
本文介绍了一种用于三色染色质单分子定位显微成像(SMLM)的稳健实验方案及分析方法。我们的染色流程优化了抗体孵育时间,并采用改进的成像缓冲液40,以支持多标记样本的长时间成像。我们进一步描述了用于双色距离分析和三色联合密度分析的计算流程,从而实现对异染色质、常染色质与转录机制之间关系的定量表征。与早期提示异染色质与常染色质相互分离的双色染色质SMLM研究不同,三色染色质成像揭示基因组被组织为多个压缩结构域,其中常染色质和活跃转录区域定位于组成型异染色质核心的外围34。
本方案为多色染色质单分子定位显微镜(SMLM)实验提供了可重复的框架,并建立了适用于多种功能标记的核靶标的分析策略。通过弥补方法学上的空白,该方案能够系统地探索核小体以上水平的染色质结构域组织,既补充了测序和电子显微镜技术,又保留了天然的细胞核结构。本文是已发表论文的扩展版协议34。
NOTE: The subsequent protocol section will be split into the staining process and acquisition process outlined below. For data analysis tutorials please refer the associated publication34 that details analysis of multi-label for labeled histone modifications.
1. Staining process:
NOTE: Throughout the protocol, there is mention of 35 mm dishes or 8 well chambered plates. These are the vessels our group uses for cell culture, however smaller and more efficient methods are possible. Ensure if alternative materials are used that the recommended concentrations for buffers antibodies are maintained. Due to the sequential nature of this protocol, antibody selection is important for successful labeling. We use standard reasoning to ensure that our host antibodies for our targets are different such that our secondary antibodies can target distinct host species effectively minimizing off target effects. Labeling order is determined based on target location within the nucleus. Since we are targeting chromatin packing domains25,28,34,35 and understand that this is a diffusion driven process, we always label heterochromatic targets first, followed by euchromatin and lastly by RNAPII to minimize steric exclusion in dense heterochromatic regions. Optimization of buffers was done empirically during development of the protocol. We found that inclusion of goat serum after the first target was helpful for reducing off target effects in subsequent steps.
2. Acquisition process
NOTE: For data acquisition, use Nikon Imaging Software (NIS) elements software compatible with the used microscope. Any software that can control filter, light path and camera settings is fine for this protocol. The following Imaging protocol is adapted for Total Internal Reflectance Fluorescence (TIRF) illumination of the sample; however, the labeling protocol is compatible with multiple forms of imaging. Non-TIRF Imaging is possible with this labeling protocol for STORM and is needed for 3D STORM applications. Please use a standard protocol for alternate imaging methodologies.
代表性三色染色质dSTORM图像
所提出的顺序染色方案已验证适用于多种细胞系,包括BJ成纤维细胞、HCT116、AC16、HeLa、MCF10A等。图1 展示了来自BJ成纤维细胞、HeLa和MCF10A细胞的代表性图像。
使用模拟数据集验证分析流程
三色免疫荧光实验方案的开发需要建立一种专门的计算方法,以应对多靶标核单分子定位显微镜(SMLM)数据的复杂性(图2A、2B)。鉴于在致密的染色质环境中多个靶标彼此邻近共存,我们构建了一种点云分析框架,该框架直接处理定位坐标,而非重构图像。该方法利用了针对点云数据已有的丰富聚类分析工具40,41,42。我们通过受控的模拟数据集,系统评估了该分析流程区分生物学上有意义的空间模式的能力。生成了四种分布类型以代表不同的染色质组织情景:正态分布代表高度聚集的修饰,均匀分布代表分散模式,环形分布模拟排斥区域,随机分布作为组织对照(图2C)。这些模拟模式被锚定在由实验获得的H3K9me3数据中真实的异染色质簇位置上,从而保留了真实的细胞核空间约束条件。该分析框架采用DBSCAN聚类算法(epsilon = 50 nm,最小点数 = 3),这是SMLM数据聚类分析的多种方法之一40,41,42。为确保聚类参数的合理性,我们此前已描述了一种专为检测染色质压缩结构域而优化的方法34。请注意,当将此步骤作为分析的初始环节时,用户需根据其靶标结构、环境和功能优化参数选择。此处的簇边界通过凸包计算确定,避免了对结构域几何形状的先验假设。我们的验证结果显示,所有模拟分布模式均能通过其独特的距离直方图谱型被清晰区分(图2D)。当以异染色质中心为参考分析定位点时,每种空间组织类型均呈现出特征性的信号模式。我们使用具有明确空间关系的双标记模拟测试了共定位分析(图2E)。空间分离的标记(正态-环形构型)如预期般产生极低的共密度,表现为平坦的分布曲线(图2E)。而重叠的标记模式(正态-随机构型)则表现出随着与参考点距离增加,共密度逐渐下降的趋势,与理论预测一致。这些验证结果表明,我们的分析框架具备在复杂的多靶标数据集中检测和量化空间耦合关系的能力。有关这些模拟数据集生成方法的更多细节,请参阅完整发表的研究文献34。
染色质结构分析的代表性结果
在生物样本中应用我们已验证的分析方法,可揭示通过本方案实现的特征性空间组织模式。利用经过H3K9me3、H3K27ac和RNA聚合酶II三色染色处理的HeLa细胞,我们展示了该方法所具备的分析能力。由于已有超分辨率研究明确证实,在约200 nm尺度上H3K9me3异染色质具有同心环状染色质结构23,28,35,因此其是理想的参考系统。分析首先通过基于DBSCAN的方法识别异染色质区域,并根据有效半径对其进行分类:小区域(25–40 nm)、中等区域(40–80 nm)和大区域(80–253 nm)。这种按尺寸分层的方法考虑了DNA压缩区域尺寸已知的异质性,其中平均区域半径约为80 nm25。距离测量采用1.5倍簇半径作为搜索窗口(图2B 顶部),以捕获邻近的常染色质及聚合酶信号(图3A、B)。
代表性结果表明,H3K27ac 和 RNA 聚合酶 II 均一致定位于所有类别异染色质边界的附近区域,这与先前的研究28,44以及关于转录位置相对于染色质结构域分布的模型23,35,45,46相一致。定量距离分析显示,这些标记物的平均位置非常接近结构域边缘:在大结构域中,H3K27ac 位于边界内 -1.0 nm 处,RNA 聚合酶 II 位于边界外 8.4 nm 处;而在较小结构域中,两者也表现出类似的边缘富集特征,仅有轻微的位置差异。这些测量结果表明,活跃的染色质元件主要集中于抑制性与许可性结构域之间的界面区域,而非被完全排除在外。联合密度分析展示了该实验流程揭示共标记靶标之间空间耦合关系的能力(图 3C-F)。相对于异染色质结构域的分析显示,联合密度峰值出现在结构域边界稍外侧(r/r₀> 1),表明 H3K27ac 与 RNA 聚合酶 II 在边缘区域具有优先共定位特征(图 3G-I)。这些结果展示了该染色与分析流程如何有助于在高度密集的环境中探究复杂的空间关系。

图 1:所用细胞的三色图像。 (A)BJ 成纤维细胞、(B)HeLa 细胞和(C)MCF10A 细胞的三色图像。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:靶标相对于异染色质簇空间分布的定量分析框架。(A)本研究中用于多通道 SMLM 数据的分析流程。(B)针对已识别异染色质簇的距离至边缘计算示意图及联合亲和计数方法。这两种方法均用于定量确定两个靶标相对于异染色质簇结构的排列方式。(C)在一项研究34中用于确定靶向结构不同生物学组织模式(聚集于结构域内部 vs 围绕结构域 vs 无关联且随机分布)的特定异染色质簇周围的散点分布示例。(D)中心聚集型、随机分布型和环状分布型的距离至边缘直方图,以及(E)模拟情况下的联合亲和曲线。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:转录标记物在组蛋白结构域周围的空间定量关系。(A)多标记 HeLa 细胞代表性生物数据中 RNAPII 与(B)H3K27ac 相对于 H3K9me3 簇的小(<40 nm)、中(40–80 nm)和大(>120 nm)结构域的边缘距离直方图结果。(C–E)HeLa 细胞三标 dSTORM 图像示例(H3K9me3、H3K27ac、RNAPII2-S2p),其中包含单个结构域的插图和放大图像。(F)对(E)中所示结构域进行凸包(红色)拟合,分析区域为灰色。(G)在数据集中所有中等大小结构域的分析感兴趣区域(ROI)内,RNAPII 相对于 H3K27ac 的亲和力图,以及(H)H3K27ac 相对于 RNAPII 的亲和力图。(I)所有中等大小结构域在分析 ROI 内 RNAPII 与 H3K27ac 的联合密度图。请点击此处查看该图的放大版本。
这种三色单分子定位显微技术(SMLM)方案代表了我们在致密细胞核环境中研究染色质组织能力的重要进步。通过结合顺序免疫荧光标记方法与点云空间分析(该分析以定位估计值作为分析的基本点),研究人员得以获得一种强大工具,用于检测不同染色质修饰与活性转录机制之间在纳米尺度上的相互关系,而这些关系此前使用传统显微技术无法被探测到。
该方案的顺序染色策略解决了多靶点细胞核成像中固有的基本挑战。与相对稀疏的细胞质或膜相关结构不同,细胞核染色质靶点密度极高,且空间区域相互重叠。我们改进的封闭方法,在每轮标记后加入针对二抗宿主物种的血清,能有效防止抗体对之间的交叉反应,同时保持靶点特异性。在4°C条件下过夜孵育,可确保抗体充分渗透至整个细胞核体积,这对于实现定量单分子定位显微镜(SMLM)分析所需的均匀标记密度至关重要。该方案可在多种细胞系中稳定获得分辨率达15–20 nm的图像,适用于广泛的染色质结构研究。
以下是成像过程中的故障排除建议。如果细胞核未发生漂白,最可能的原因是样品处的激光强度不足,这可能是由于激光功率设置过低或全内反射角(TIRF)设置不正确所致;此时应通过检查激光光路对准情况、提高激光功率以及仔细调整TIRF角度来进行排查。如果细胞核中闪烁点数量极少但持续保持明亮,表明细胞核漂白程度不足。如果闪烁点非常稀疏且几乎无法观察到细胞核,则最可能的原因是染色失败,应在重复实验前检查所用试剂和抗体。相反,如果细胞核内闪烁点数量非常多(这是理想结果),则需要延长漂白时间,直至能够清晰分辨出彼此分离的单分子闪烁信号。在传统的单分子定位显微镜(SMLM)实验中,通常可借助微管等结构清晰的参考体系来估算合适的标记密度;然而,染色质具有高度异质性的组织结构,并缺乏明确的基准结构,使得此类估算更具挑战性。基于经验优化和先前的研究经验,我们确保有效标记密度达到约每平方微米100个定位点(100 localizations per µm²),以实现对染色质压缩结构域的可靠重建。在本实验方案中,我们未使用任何基准标记物,但若用户具备相关条件,建议使用。在我们的实验中,横向漂移控制在0.2像素以内(小于约5 nm),可忽略不计,因此未使用基准标记物。
选择H3K9me3、H3K27ac和RNA聚合酶II可提供关于染色质在纳米尺度上组织结构的互补信息。H3K9me3可作为理想的空間参考标志,因为它形成离散且界限清晰的簇状结构,代表组成型异染色质,并可通过自动聚类算法可靠地识别。H3K27ac标记与增强子相关的染色质,积极参与基因调控;而RNA聚合酶II则直接指示活跃转录的位点。这三种靶标共同使得研究人员能够探究转录机制和调控性染色质修饰在细胞核结构中相对于异染色质区域的组织方式。
点云分析框架通过实现对致密核环境中的全面空间分析,解决了以往染色质结构研究中的关键局限性。传统的成对比较方法无法捕捉当多种染色质修饰在同一核区域内共存时所产生的复杂空间关系。我们的方法利用联合密度分析,揭示H3K27ac与RNA聚合酶II相对于H3K9me3簇的共定位区域,从而提供从独立的双色实验中无法获得的定量信息。
代表性结果一致表明,染色质呈现出一种紧密关联的组织模式,而非严格的区室化分隔。H3K27ac 和 RNA 聚合酶 II 均优先定位于不同大小异染色质簇的边缘区域,定量测量显示其位置在簇边界 10 nm 范围内,该结果与采用类似方法和转录模型的其他研究团队的发现相一致23,28,35,45,46。联合密度分析表明,活跃的转录机器与增强子相关染色质在异染色质簇周围区域的耦合频率最高。这些发现对简单的相分离模型提出了挑战,并支持一种整合性的组织原则,即不同的染色质修饰在空间上保持紧密邻近,而非形成彼此分离的独立区室。
该方案的模块化设计通过替换靶标,同时保持相同的分析框架,可用来研究多种染色质生物学问题。在复制时序研究中,可将靶标替换为增殖细胞核抗原(PCNA)和微型染色体维持蛋白(MCM)等细胞周期相关蛋白;而在DNA损伤应答研究中,则可靶向γH2AX及修复因子。细胞周期相关研究可检测分裂过程中动态变化的组蛋白修饰,而分化研究则可聚焦于与谱系决定相关的表观遗传标记。这种顺序标记方法适用于任何存在可靠抗体的核蛋白或染色质修饰组合,其主要限制因素为光谱兼容性和交叉反应性。这种灵活性使研究人员能够在维持定量空间分析能力的同时,探究各种细胞过程中染色质动态变化的基本问题。
本方案的作者没有披露信息或利益冲突。
本工作获得了美国国立卫生研究院(NIH)资助项目U54CA268084、U54CA261694和R01CA228272,美国国家科学基金会资助项目EFMA-1830961和CBET-2430743,以及Rob和Kristin Goldman、David Sachs先生和Christina Carinato慈善基金会的慈善支持。
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